150 år sedan, fysikern Michael Faraday upptäckte att vid ytan av frusen is, långt under 0 ° C, en tunn film av vätskeliknande vatten är närvarande. Denna tunna film gör isen hal och är avgörande för glaciärernas rörelse.

Sedan Faradays upptäckt, forskare har utforskat egenskaperna hos detta vattenliknande lager, försöker bestämma temperaturen vid vilken ytan blir vätskeliknande. Hur beror lagrets tjocklek på temperaturen? Hur ökar lagrets tjocklek med temperaturen? Kontinuerligt? Stegvis? Experiment hittills har i allmänhet visat ett mycket tunt lager, som kontinuerligt växer i tjocklek upp till 45 nm precis under bulksmältpunkten vid 0°C. Detta illustrerar också varför det har varit så utmanande att studera detta lager av vätskeliknande vatten på is-45 nm är ungefär 1/1 000 tjockleken på människohår och kan inte ses av ögat.

Forskare vid Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P), i ett samarbete med forskare från Nederländerna, USA och Japan, har studerat egenskaperna hos detta kvasi-flytande lager på is på molekylär nivå med hjälp av avancerad ytspecifik spektroskopi och datasimuleringar. Resultaten publiceras i den senaste upplagan av den vetenskapliga tidskriften Proceedings of the National Academy of Science ( PNAS ).

Forskarna undersökte hur det tunna vätskeskiktet bildas på is, hur den växer med stigande temperatur, och om det är särskiljbart från vanligt flytande vatten. Dessa studier krävde väldefinierade iskristallytor. Således, mycket ansträngning lades ner på att skapa ~10 cm enkristaller av is, som kunde skäras på ett sådant sätt att ytstrukturen var mätbar. Vattenmolekyler i vätskan har en svagare interaktion med varandra jämfört med vattenmolekyler i is. Med hjälp av deras gränssnittsspektroskopi, kombinerat med kontrollerad uppvärmning av iskristallen, forskarna kunde kvantifiera förändringen i interaktionen mellan vattenmolekyler direkt vid gränssnittet mellan is och luft, och avgöra om ytan var fast eller flytande.

De experimentella resultaten, kombinerat med simuleringarna, visade att det första molekylskiktet vid isytan smälts vid temperaturer så låga som -38 ° C (235 K), den lägsta temperatur som forskarna experimentellt kunde undersöka. Öka temperaturen till -16° C (257 K), det andra lagret blev flytande. Ytsmältningen av is är inte en kontinuerlig process, men förekommer i en diskontinuerlig, lager för lager.

"En ytterligare viktig fråga för oss var om man kunde skilja mellan egenskaperna hos det kvasi-flytande skiktet och det hos normalt vatten, "säger Mischa Bonn, medförfattare till tidningen och direktör vid MPI-P. Och verkligen, kvasivätskeskiktet vid -4 ° C (269 K) visar ett annat spektroskopiskt svar än underkyldt vatten vid samma temperatur; i det kvasi-flytande skiktet, vattenmolekylerna verkar samverka starkare än i flytande vatten.

Resultaten är inte bara viktiga för en grundläggande förståelse av is, men också för klimatvetenskap, eftersom många katalytiska reaktioner inträffar på isytor, och för vilken förståelsen av isytans struktur är avgörande.